CN110010431B - 一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，包括以下步骤：对微通道板基体进行预处理；在微通道板基体的上端面用原子层沉积法制备防离子反馈膜；从微通道板基体的下端面采用刻蚀工艺制备微通道孔；在微通道孔的内壁上依次制备绝缘层、导电层和二次电子发射层；去除刻蚀所用掩蔽层，得到具有防离子反馈膜的微通道板；本发明在微通道板基体的上端面上沉积制备防离子反馈膜，在下端面刻蚀微通道孔，在微通道孔刻蚀贯穿前制备防离子反馈膜，所制备的防离子反馈膜厚度在原子层尺度精确控制，可实现防离子反馈膜对电子的透射性能和对阳离子的阻隔性能的良好匹配；本发明方法可以避免微通道板受到污染，并且其端面的防离子反馈膜质量高，整体工艺简单，成品率高。

Description

一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，尤其涉及一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法。

背景技术

微光像增强器是微光夜视仪的核心器件，对整个***的成像质量起着决定性作用。微光像增强器为真空器件，主要由如下部分组成：光阴极、防离子反馈膜、微通道板和荧光屏。如图1所示，微通道板是一种大面阵、高电子倍增、高空间分辨率的光电倍增管阵列，为薄片式类蜂窝状结构。微通道板上具有微孔阵列，填充有电极，可对二维空间分布的电子密度进行倍增。由于微光像增强器中存在残余气体，微通道管内的电子经倍增后，在微通道管输出端形成高密度电子云，其中的正离子在电场作用下加速向光阴极方向运动，并可能与通道壁碰撞，电离通道内残余气体；同时正离子还会在通道内反复与光电阴极碰撞，对光电阴极带来损伤并产生附加的光电发射，形成干扰信号，降低信噪比，这就是离子反馈现象。离子反馈现象最终会在荧光屏上形成离子斑，提高像管的噪声因素，影响图像质量。而且离子反馈还会使光阴极受到损伤，缩短光阴极的使用寿命。

为减小乃至消除离子反馈，一种有效方法是在微通道板端面设置防离子反馈膜，它可以有效地保护光电阴极，延长光电阴极的使用寿命。三氧化二铝、二氧化硅是常用的制备防离子反馈膜的材料。由于微通道板端面具有阵列孔口(图1)，不是完整的平面，如果采用三氧化二铝、二氧化硅直接在微通道板端面制膜，孔口处的膜相对于微通道板端面会发生塌陷，所以无法直接在微通道板端面上制备出连续完整的膜。

目前用三氧化二铝、二氧化硅制备防离子反馈膜时，通常先在微通道板的端面上制备一层支撑膜，然后再以支撑膜为载体，在支撑膜上制作防离子反馈膜。如公开号为CN1202536A的中国发明专利申请公开的一种在微通道板上制备防离子反馈膜的方法，先在微通道板的输入端面上涂覆一层有机膜，然后采用离子溅射制膜技术在有机膜上制作三氧化二铝或二氧化硅薄膜，最后焙烧分解有机膜，从而在微通道板上形成防离子反馈膜。这种先制备有机膜，然后在有机膜上制备防离子反馈膜的方法，在高温去除有机膜的过程中，有机物分解会带来微通道污染的问题，会影响微通道板的寿命。而且采用溅射工艺形成的防离子反馈膜厚度较厚，会降低微光像增强器的信噪比和分辨率。

为了避免污染微通道板，专利号为200410010839.X的中国发明专利公开了另一种在微通道板上制备防离子反馈膜的方法，首先在去离子水中制备自持有机载膜，然后在真空室中在自持有机载膜上磁控溅射铝膜，得到载有有机膜和铝膜的双层膜的自持载膜环，然后在气体辉光放电中完成铝膜与微通道板输入面的贴附，辉光放电产生的氧离子使铝膜氧化并使有机载膜分解脱除，由于铝膜与微通道板输入面紧密贴附，在分解有机载膜过程中挥发的分子被铝膜挡住，从而可以在一定程度上减少了微通道板受到的污染，但仍然使用磁控溅射、蒸发等传统的薄膜沉积方法，防离子反馈膜厚度不均匀，难以精确控制，难以沉积无针孔、破损等缺陷的纳米尺度薄膜，不能制备厚度几十纳米以下的防离子反馈膜。

综上可知，传统的具有防离子反馈膜的微通道板是先制备好具有阵列孔的微通道板后，再在微通道板端面上制备支撑膜，然后在支撑膜上制备防离子反馈膜；或者制备辅助支撑膜，在辅助支撑膜上制备好防离子反馈膜后，将防离子反馈膜转移到已制好微通道孔的微通道板的端面上。这两类方法会带来微通道板污染，防离子反馈膜质量差，工艺复杂，操作难度大，成品率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，将微通道板的制备和设置在其端面的防离子反馈膜的制备加以融合，通过一套工艺步骤直接得到端面具有防离子反馈膜的微通道板；该方法可以避免微通道板受到污染，并且其端面的防离子反馈膜质量高，整体工艺步骤简单。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，包括以下步骤：

对微通道板基体进行预处理；

在微通道板基体的一端面上用原子层沉积法直接制备防离子反馈膜，不需要有机膜辅助，不需要薄膜转移；

在微通道板基体上制备微通道孔：在微通道板基体的另一端面制备刻蚀掩蔽层并图形化，然后采用刻蚀工艺制备微通道孔；

在微通道孔内壁上依次制备绝缘层、导电层和二次电子发射层；

去除掩蔽层，得到具有防离子反馈膜的微通道板。

进一步的，在微通道板基体上刻蚀微通道孔时，微通道孔即将贯穿微通道板基体前暂停刻蚀；在微通道孔内壁形成绝缘层、导电层和二次电子发射层后，继续刻蚀贯通微通道孔，使防离子反馈膜覆盖在微通道孔的孔口。

更进一步的，微通道孔即将贯穿微通道板基体前暂停刻蚀是指当刻蚀至微通道孔的底部距离微通道板基体设置有防离子反馈膜的端面2μm～8μm时暂停刻蚀，使微通道孔不贯穿微通道板基体。

进一步的，在微通道孔刻蚀贯穿前均可制备防离子反馈膜，依此可以调整制备步骤。

进一步的，避免了有机膜的制备及去除，不需要薄膜转移，杜绝了对微通道板的污染。

由以上技术方案可知，本发明采用原子层沉积的方法在微通道板基体上制备防离子反馈膜，与溅射法制备防离子反馈膜相比，原子层沉积的方法制备得到的膜的厚度更小，可以减少载流子在界面的散射，降低载流子迁移率；同时在微通道板基体的端面上直接制备防离子反馈膜，不仅可以为薄膜提供支撑作用，免去了支撑膜的制备步骤或防离子反馈膜的转移步骤，简化了制备工艺，杜绝了有机膜去除过程中产生的污染，有利于延长微通道板的使用寿命，本发明方法制备的微通道板工艺简单，且对微通道板无污染。该方法制备的微通道板端面的防离子反馈膜厚度可精确控制，控制的精度在原子厚度，且防离子反馈膜致密无针孔，厚度均匀，可显著提高防离子反馈膜的综合性能。

附图说明

图1为常规的微通道板的结构示意图。

图2为本发明实施例微通道板基体的示意图。

图3为在微通道板基体上沉积防离子反馈膜后的示意图。

图4为在微通道板基体上制作微通道孔(未贯通)后的示意图。

图5为在微通道孔内壁形成绝缘层、导电层和二次电子发射层后的示意图。

图6为微通道孔结构放大示意图。

图7为制作完成的具有防离子反馈膜的微通道板的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，做详细说明如下。

传统的具有防离子反馈膜的微通道板是先制备好具有阵列孔的微通道板后，再在微通道板端面上制备支撑膜，然后在支撑膜上制备防离子反馈膜；或者制备辅助支撑膜，在辅助支撑膜上制备好防离子反馈膜后，将防离子反馈膜转移到已制好微通道孔的微通道板的端面上。先在微通道板端面上制备支撑膜，再制备防离子反馈膜的方法容易带来外部污染，而采用转移防离子反馈膜的方式对操作精度的要求高，防离子反馈膜较厚，良品率低，现有的方法都存在改进的空间。

本发明方法的基本思路是：在微通道板基体的一端面用原子层沉积法制备防离子反馈膜，在微通道板基体的另一端面制备微通道孔，在微通道孔内壁制备绝缘层、导电层和二次电子发射层，最后除去刻蚀所用掩蔽层即完成具有防离子反馈膜的微通道板的制备。本发明在硅微通道板上端面直接制备防离子反馈膜的过程中，不使用有机膜支撑，不需要膜的转移，杜绝了有机膜去除过程中产生的污染，有利于延长微通道板的寿命；而且无需转移防离子反馈膜，工艺难度低，易于操作，有利于提高良品率。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面以一具体实施例对本发明作进一步说明，本实施例中以单晶硅作为微通道板基体，以三氧化二铝为防离子反馈膜的制备材料；本发明方法的步骤如下：

步骤一、对微通道板基体进行预处理。如图2所示，取厚度为100μm的双面抛光的硅片1，将硅片1浸没在H₂SO₄:H₂O₂＝3:1的溶液中，在800℃的高温下煮10min，去除硅片1表面的各种颗粒和有机污染物；取出用去离子水冲洗5分钟，再将硅片1浸没在HF:H₂O＝1:10的溶液中，常温下放置15min，以此去除硅片1表面的金属污染和氧化物；取出再次用去离子水冲洗5分钟，然后将硅片1浸没在HCl：H₂O₂：H₂O＝1:1:6的混合液中，在75℃下放置10min，以此去除硅片1表面的金属离子污染；取出再用去离子水冲洗5分钟，用氮气将硅片1吹干后放置在热板上，对硅片1进行干燥，去除硅片1表面吸附的水分，预处理完成。

步骤二、在微通道板基体的上端面上沉积防离子反馈膜。以三氧化二铝为防离子反馈膜的材料，采用原子层沉积法在硅片1的上端面上形成三氧化二铝薄膜，如图3所示。本实施例采用Picosun SUNALETM R-150B ALD设备在硅片1的上端面上制备三氧化二铝膜2。将预处理后的硅片1放入ALD反应腔内，以三甲基铝(TMA)和高纯水为前驱体源，以氮气(99.999％)作为载气和清洗气，温度300℃，沉积速率约0.1nm/cycle，循环10个周期沉积三氧化二铝膜，每个循环周期的时长为1s。原子层沉积法形成薄膜的过程主要分为2个反应阶段：(1)TMA在氮气载体下脉冲进入反应腔内，化学吸附在硅片1的上端面，再用氮气作为清洗气吹走残留的TMA；(2)H₂O在氮气氛围下脉冲进入反应腔并与吸附在硅片1表面的TMA反应，生成三氧化二铝和副产物CH₄，残留的水与副产物均被氮气吹出反应腔，从而在硅片1表面沉积一层1nm的三氧化二铝膜2。采用原子层沉积法制备的三氧化二铝膜的厚度范围为0.55～100nm，较薄的三氧化二铝膜作为防离子反馈膜对电子保持较高的透过率，可以改善微通道板的探测效率，降低死区电压，具有优良的性能。

步骤三、在微通道板基体上制备微通道孔。采用反应离子刻蚀工艺在硅片上制备微通道孔3。刻蚀前先在硅片1的下端面制备掩蔽层，采用KW-4A型台式匀胶机进行匀胶，将三至四滴光刻胶(AZ5214E型光刻胶)滴至硅片1下端面的中心，然后设置转速为低速500/15(rpm/s)、高速4500/50(rpm/s)，使光刻胶均匀涂敷在硅片1的下端面上，光刻胶的厚度在300nm以上；采用MIRAKTMT The molyne型热板，在100℃温度下前烘60s；在Q4000型光刻机上对光刻胶曝光10s，对曝光后的硅片1进行115℃反转烘烤，使曝光区域的光刻胶发生交联反应不溶于显影液；将反转烘烤后的硅片1在光刻机下去掉掩模版进行泛曝光，使未曝光区域的光刻胶发生光敏反应使其可以溶于显影液，泛曝光的时间为11s；采用KMP PD238-Ⅱ型显影液对硅片1进行显影55s；将显影好的硅片放置在热板上，设置热板温度为120℃，坚膜20min，取出自然降温。使用JPG560BV型磁控溅射镀膜机，选择直径为100mm、厚度为7mm、纯度为99.999％的铝靶材，设置工作气体为99.99％的氩气，真空为5.0×10^-3Pa，将硅片1放置于基片架上，抽真空，真空度达到10^-3Pa时，使真空室的本底压强达到5.0×10^-3Pa时通入氩气，待辉光稳定后，开始在硅片1下端面沉积铝薄膜，沉积20min后，关闭氩气。待真空室冷却到室温，取出硅片1并浸入丙酮溶液，采用剥离工艺对金属层图形化，得到通道直径为10μm、孔间距为5μm、铝膜厚度为200nm的掩蔽层。刻蚀硅片1时所用的气体为SH₄，SF₆等可以与硅发生反应的气体，使用英国Oxford仪器设备公司的ICP180刻蚀机，选择SF₆加以少量O₂的混合气体来刻蚀硅，设置衬底温度为-110℃，当反应室压强为12mTorr，ICP功率为500W，氧气流速5sccm时，进行硅深刻蚀，刻蚀完成后得到孔径为10μm、孔间距为5μm、刻蚀深度为95μm的微通道孔阵列(图4)。

作为本发明的一种优选实施方式，在硅片1上刻蚀微通道孔3时，当刻蚀至微通道孔3的底部距离硅片1的上端面还有一段距离时，如5μm时停止刻蚀，即所刻蚀的微通道孔3不贯穿硅片1(微通道板基体)，在微通道孔的孔底与硅片的上端面之间保留有少许硅材料，微通道孔不贯穿，后续在微通道孔内沉积绝缘层、导电层和二次电子发射层时不会污染硅片上端面的三氧化二铝薄膜。

步骤四、微通道孔内壁依次形成绝缘层、导电层和二次电子发射层。在沉积导电层和二次电子发射层之前采用热氧化方法对硅片1进行绝缘处理，从而在微通道孔3内壁形成厚度为200nm的SiO₂绝缘层4。然后采用ALD工艺在绝缘层4上制备200nm的AZO薄膜作为导电层5；在导电层5上采用原子层沉积的方法制备5nm的三氧化二铝薄膜作为二次电子发射层6，如图5、图6所示。

步骤五、继续刻蚀微通道孔贯穿微通道板基体。在步骤三制备微通道孔过程中，刻蚀基体尚未贯穿时暂停刻蚀并进行孔内壁处理，因此在制备好导电层和二次电子发射层后还有一个继续刻蚀贯通微通道孔的步骤。继续步骤三中的刻蚀工艺除去微通道孔与微通道板基体上端面之间的硅材料，使防离子反馈膜覆盖在微通道孔的孔口，以防离子反馈膜作为孔底，最后用磷酸去除铝掩蔽层，即得到具有防离子反馈膜的微通道板(图7)。

不同于传统方法先制作带微通道孔的微通道板，再制作有机膜做辅助支撑，然后在有机膜上制备防离子反馈膜，最后去除有机膜以得到具有防离子反馈膜的微通道板的工艺过程，本发明方法直接在单晶硅等微通道板基体的端面上沉积制备防离子反馈膜，在微通道板基体的另一端面刻蚀微通道孔，微通道板基体的端面可为上方离子反馈膜提供支撑，无需再制备其它的支撑膜，制备防离子反馈膜时也不会对微通道孔带来外部污染，而且原子层沉积法可以制备出厚度很小的防离子反馈膜，使得器件具有较好的性能。

本发明方法将微通道板的制备和设置在其端面的防离子反馈膜的制备加以融合，通过一套工艺步骤直接得到端面具有防离子反馈膜的微通道板。该方法可以避免微通道板受到污染，并且其端面的防离子反馈膜质量高，整体工艺简单，成品率高。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，前述实施例是先在微通道板基体上制备防离子反馈膜后，再制备微通道孔，但也可以先制备不贯穿微通道板基体的微通道孔，然后再在不具有微通道孔孔口的端面上制备防离子反馈膜，最后再贯通微通道孔，即制备微通道孔和制备防离子反馈膜步骤的顺序可以调换，先制备微通道孔时，绝缘处理及导电层和二次电子发射层的步骤可以在制备防离子反馈膜之前进行，也可以制备好防离子反馈膜之后再进行；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。

Claims (6)

1.一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对微通道板基体进行预处理；

在微通道板基体的上端面上用原子层沉积法直接制备防离子反馈膜，不需要有机膜辅助，不需要薄膜转移；

在微通道板基体上制备微通道孔，在微通道板基体的下端面制备图形化的刻蚀掩蔽层，然后采用刻蚀工艺制备微通道孔；

在微通道孔的内壁上依次制备绝缘层、导电层和二次电子发射层；

去除掩蔽层，得到具有防离子反馈膜的微通道板。

2.如权利要求1所述的具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，其特征在于：在微通道孔刻蚀贯穿前的阶段均能够在微通道板制备防离子反馈膜，依此调整制备步骤。

3.如权利要求1所述的微通道板的制备方法，其特征在于：在微通道板基体上刻蚀微通道孔时，微通道孔即将贯穿微通道板基体前暂停刻蚀；在微通道孔内制备绝缘层、导电层和二次电子发射层后，继续刻蚀贯通微通道孔，使防离子反馈膜覆盖在微通道孔的孔口。

4.如权利要求3所述的具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，其特征在于：微通道孔即将贯穿微通道板基体前暂停刻蚀是指当刻蚀至微通道孔的底部距离微通道板基体设置有防离子反馈膜的端面2μm～8μm时停止刻蚀，使微通道孔不贯穿微通道板基体。

5.如权利要求1所述的具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，其特征在于：避免了有机膜的制备及去除，不需要薄膜转移，杜绝了对微通道板的污染。

6.如权利要求1所述的具有防离子反馈膜的微通道板制备方法，其特征在于：采用原子层沉积法在微通道板上端面制备防离子反馈膜，防离子反馈膜厚度能够在单原子层尺度精确控制，实现防离子反馈膜对电子的透射性能和对阳离子的阻隔性能的良好匹配。

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